通過郭守敬望遠鏡監測到,質量約為太陽70倍

星海茫茫,捕捉“黑洞之王”

本報記者  吳月輝

2019年12月03日05:17  來源:人民網-人民日報
 

  LB—1藝術想象圖。
  喻京川繪(新華社發)

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  恆星級黑洞由大質量恆星死亡形成,根據理論推算,上億個恆星量級的黑洞“潛行”於茫茫星海中,想要找到它們卻並不容易。

  我國天文學家利用郭守敬望遠鏡,通過長時間、大范圍的監測,發現迄今為止最大質量的恆星級黑洞,約為70倍太陽質量。這一發現,有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新,也開辟了利用郭守敬望遠鏡巡天優勢搜尋黑洞的新路徑。

  

  近日,國際期刊《自然》在線發布了中國天文學家主導的一項重大成果:中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究員領導的研究團隊利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)發現了一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞。這是繼今年4月,黑洞首次展露“真顏”后,又一相關重大發現。

  這顆70倍太陽質量的超大恆星級黑洞遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知,堪稱“黑洞之王”,有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。

  上億黑洞“深藏不露”,尋找它們是難點

  1915年愛因斯坦提出廣義相對論,德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解,預言了黑洞的存在,自此人類就沒有停止過對它的想象和探索。

  神秘的黑洞是怎樣形成的?像宇宙萬物一樣,恆星也會衰老死亡。一些大質量恆星在核聚變反應燃料耗盡時,內核會急劇坍縮,當其質量大於約3倍太陽質量時,便會坍縮為一個奇點,成為黑洞。由於其密度極高、引力超強,即便是光也無法從它身邊逃離。

  按照其質量不同,天文學家將黑洞大致分為三類:恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100倍—10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。

  劉繼峰說:“恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的,在宇宙中廣泛存在。根據理論推算,銀河系中應該存在著上億個恆星量級的黑洞。”

  然而,想要在茫茫宇宙中尋找到它們卻並不容易。因為黑洞自身不發射和反射電磁波,儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

  該怎麼辦?天文學家們嘗試尋找各種間接証據,經過探索研究,發現了一個現象:黑洞會“吃東西”。它在接近一顆恆星組成雙星系統時,會以強大的“胃口”直接把對方的氣體物質吸過來,形成吸積盤,並發射出明亮的X射線光。通過探測這些X射線光,可以判斷並選出黑洞候選體,再通過進一步監測伴星的運動,可以測量黑洞的質量並最終確認其存在。

  劉繼峰介紹說,過去的50年裡,天文學家通過這種方法發現了約20顆黑洞,質量均在3到20倍太陽質量之間。

  但是,按照理論預測,銀河系中應該有上億顆恆星級黑洞,而在黑洞雙星系統中,能夠發出X射線的隻佔一小部分。那麼,“沉默”的大多數該如何被尋找到呢?於是,找到新方法,去發現數量巨大且沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

  超大質量黑洞,超出模型理論上限

  2016年秋,國家天文台領導的研究團隊利用郭守敬望遠鏡開展雙星課題研究,歷時兩年監測了開普勒一個天區(K2—0)內的3000多顆恆星。

  在監測過程中,有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關注:這顆8倍太陽質量的藍色恆星,一直在圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動。

  團隊成員、中國科學院大學研究生鄭傳杰說:“它的光譜攜帶了非常豐富的信息,除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外,光譜中還有一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的發射線,這點很不尋常。”

  通過各種跡象,研究人員推測,那個被B型星圍繞的“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。

  “根據多個望遠鏡的多次觀測,我們進一步確認了B型星的性質。根據光譜信息,計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度,質量約為8倍太陽質量,年齡約為35百萬年,距離我們1.4萬光年。”鄭傳杰說:“接著,根據B型星和其光譜中那條‘特殊’發射線的速度振幅之比,計算出該雙星系統中存在一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體。質量如此之大的,隻能是黑洞。”

  據劉繼峰回憶,最初得到結果時,所有人都不敢相信。因為,目前恆星演化模型隻允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞,這顆新發現的黑洞質量已經超出了理論范圍。

  《自然》雜志的審稿人對此也非常謹慎,提出很多問題。研究團隊反復計算確認,“最終結果不變。這可能意味著有關恆星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者以前某種黑洞形成機制被忽視。”劉繼峰說。

  而且,與其他已知的恆星級黑洞不同,這顆黑洞之前從未在任何X射線中被探測到過,它對其伴星吸積非常微弱,屬於之前所說的“沉默”的大多數。劉繼峰說:“這個重大發現還開辟了一條利用郭守敬望遠鏡的巡天優勢尋找黑洞的新方法。”

  巡天監測,未來將描繪黑洞群像圖

  值得一提的是,兩年半的監測時間裡,郭守敬望遠鏡共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。“如果利用一架普通4米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的幾率下,則需要40年的時間。”劉繼峰這樣比喻。

  為了紀念郭守敬望遠鏡在發現這顆恆星級黑洞上做出的貢獻,天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB—1。

  LB—1的發現充分証實了郭守敬望遠鏡強大的光譜獲取能力。郭守敬望遠鏡擁有4000根光纖,好比長了4000隻眼睛,一次能夠觀測近4000個天體。2019年3月,郭守敬望遠鏡公開發布了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目,被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

  郭守敬望遠鏡的一個個科學發現,讓天文學家得以重新審視銀河系:

  利用郭守敬望遠鏡數據,發現人類居住的家園銀河系比之前認識的大了一倍,還精確稱量出銀河系的體重約為太陽質量的9000億倍﹔銀河系暈的面貌被改寫,天文學家們發現銀暈是個內扁外圓的“胖子”﹔此外,還發現了萬余顆貧金屬星,擁有了目前世界上最大、適合現有大望遠鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本﹔獲取了上百萬顆恆星的年齡,為銀河系演化研究提供了基礎數據……

  此次這顆恆星級黑洞,是郭守敬望遠鏡發現的第一顆黑洞,它的出現將標志著利用郭守敬望遠鏡巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。

  據劉繼峰介紹,接下來,研究團隊計劃開展一個名為“黑洞獵手”的計劃,利用郭守敬望遠鏡巡天優勢批量發現黑洞並測量黑洞質量,“預計在未來5年內發現並測量出近百個黑洞,並描繪出一幅黑洞群像畫。”劉繼峰說。

  在搜尋黑洞的同時,郭守敬望遠鏡也將繼續搜尋地外文明,通過探測系外行星宿主恆星及其性質,加快系外行星的搜尋及對地外生命的探索等。

  本版制圖:蔡華偉 


  《 人民日報 》( 2019年12月03日 12 版)
(責編:曹昆)

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